对数电位计如何实现最小音量

翻译: TI信号链工程师 Rickey Xiong (熊尧)

你曾用过线性电位计作为音量控制器吗？如果你使用过，你可能会发现，音量跳变得非常快。如果想将音量调整得相当小，你可能需要safe-cracker般的灵敏触觉（safe-cracker能够靠自己灵敏的听觉来破译保险箱的密码，作者此处是一种比喻，对于线性电位计，常人是很难将音量调得相当小的）。这时就需要对数电位计。

我们的听觉有相当大的动态范围。我们的耳朵（尤其年轻人）能够识别的有效范围是120dB或者更大，1000000：1的比率。音量大小（以分贝为单位）的起点取决于我们的听觉能力，通常为1dB，这是我们能感受到的最小的音量变化。以分贝为单位，对数电位计是近似线性的，所以，对数电位计在位置上的改变会带来音量上相对应的改变。

图1显示了使用线性电位计和数学上理想的对数电位计来分压时的衰减比例。转动电位计到50%的位置，输出电压是输入电压的0.1倍（-20dB），在音频电位计中，这是一个常用的目标值。电位计每转动10%，输出电压会改变4dB。但是理想的对数电位计在不转动时仅仅只有40dB（输入信号的1%）的衰减（见图1中的放大部分）。听众希望他们的音量控制器能够达到零输出(无穷大的衰减)，所以对数电位计有一个衰减消除功能（对数电位计在不转动的时候输出是无法为零的，为了使对数电位计在不转动的时候衰减为零，必须有该衰减功能）使得电位计在不转动的时候，能够达到零输出。

 

 

有很多关于对数参数的半导体标准曲线（厂商称之为衰减曲线）。他们通常指定了电位计在转动50%时的衰减因子。这种参数标准的命名并不是很规范，所以我不会试图命名它们，这会给大家带来更多的困扰。如果你有某些特殊具体的参数需求，请咨询厂商。在某些应用中，可能需要特殊的反向电位计。这种电位计在不同位置的衰减值和普通的电位计是相反的。

对数电位计通常需要两条分段的曲线来达到期望的衰减曲线（如图2）。两种不同的油墨导体被镶嵌在电阻中（通常情况下，电阻是由绝缘体和油墨导体构成，不同的油墨导体，会导致不同的电阻阻值，从而可以带来这两条分段的曲线）。立体声音量控制的一个关键参数是这两条曲线的追踪精度。请注意，在不转动电位计的时候，输出为零。

 

 

你可以用一个线性电位计和一个固定的电阻来驱动输出，这近似于对数电位计（如图3所示）。用作音量控制时，该电路仍然有线性电位计的一个缺点------当电位计转动到底时，音量跳变得太快。这个电路的性能比线性电位计好，但是相对对数电位计来说较差。在对数电位计中，这种电阻输出电路同样可以用来改变对数电位计的衰减曲线。需要注意的是输入信号必须要能够驱动电阻R1输出满幅信号，并且R1可以是一个较小的电阻，这取决于Rp的大小。

 

 

在一些高音量的用户应用中，电子音量控制器已经大幅度地取代了传统的对数电位计。电子音量控制器的原理是使用数字量来控制自然音量的对数增加，并且使用了衰减消除技术（即walk-off），使得在衰减曲线的底部，衰减值为零。许多现代的音频器件提供了一个齿轮状的旋钮，转动该旋钮，会产生不同频率的脉冲信号，来控制电子电位计的衰减值。除了音频应用，这些器件也能应用于信号通路中。下面是一些相关器件：

PGA2500              麦克风前置数字增益可控放大器

PGA2320              立体声音频音量控制器

LM1971                具有静音功能的单通道数字控制62dB音频衰减器

LM1972                具有静音功能的 Micro-Pot 2 通道 78 dB 音频衰减器

LM1973                具有静音功能的 Micro-Pot 3 通道 76 dB 音频衰减器

TPA6130A2         具有 I2C 音量控制的 138mW DirectPath™ 立体声耳机放大器

TPA6140A2         具有 I2C 音量控制的 25mW G 类 DirectPath™ 立体声耳机放大器

TPA2054D4A      具有立体声 D 类放大器和 DirectPath™ 耳机放大器的 1.4W/通道 3 输入音频子系统

TLV320AIC3262 具有微型 DSP、集成 D 类扬声器、听筒驱动器和 DirectPath 的低功耗立体声编解码器

但是，仍然有很多场合使用传统的音量控制器和对数电位计，所以，一个模拟设计师应该清楚这些最基本的电路知识。